Sistemes connexionistes evolutius per modelitzar l’evapotranspiració diària de referència (Ecologia mediterrània, 33/2018)

En els ecosistemes mediterranis, les plantes han d’ajustar la necessitat de minimitzar la transpiració estomatal d’aigua, amb mantindre una conductància estomatal prou elevada com per garantir l’intercanvi de gasos necessari per a la fotosíntesi i la respiració (en vam veure un exemple el maig passat en comentar un article de Salazar-Tortosa et al. sobre pins europeus). A nivell ecosistèmic apareix, a més, el concepte d’evapotranspiració, que hi suma també l’evaporació directa. L’evapotranspiració potencial representa la demanda ambiental d’evapotranspiració, la qual depèn de l’energia disponible per evaporar l’aigua (règim de temperatures) i del vent disponible que transportarà el vapor d’aigua de la superfície a l’atmosfera. Hom anomena evapotranspiració de referència (ET0) al valor d’evapotranspiració que tindria lloc per a una localitat determinada si fos completament coberta per una gespa densa amb plena disponibilitat d’aigua. L’evapotranspiració real tan sols pot igualar l’evapotranspiració potencial si hi ha aquesta plena disponibilitat d’aigua. Alhora, cobertes vegetals menys completes, i més encara si són arbustives o arbrades, també ofereixen unes evapotranspiracions encara inferiors. L’evapotranspiració potencial d’una localitat varia d’acord amb l’any. A la regió mediterrània, és superior a l’estiu respecte de l’hivern; superior en dies assolellats a dies rúfols; superior en latituds baixes a altes; superior en dies ventosos a dies calmats. L’ET0 s’estima a través de dades climàtiques, i a partir d’ella es pot calcular l’evapotranspiració potencial ajustant pel coeficient de superfície (que dependrà del tipus de vegetació, de la presència de cossos d’aigua, des de bassals a llacs) o de collita. Per estimar l’ET0 diària s’utilitzen des de fa uns anys models basats en tècniques d’intel·ligència artificial. Salim Heddam, del Departament d’Agronomia de la Universitat de Skikda, treballa en el desenvolupament de models connexionstes evolutius (ECoS) per modelar l’ET0 diària a la regió mediterrània d’Algèria. Heddam encapçala un article que apareixerà en el número de setembre de la revista Environmental Monitoring and Assessment sobre aquesta nova estratègia de modelització de l’evapotranspiració diària de referència.

Les Aiguades, al Golf de Bogia, en el 2007, com a exemple de la vegetació del litoral algerià

Tres models ECoS per estimar l’ET0 a la zona mediterrània d’Algèria

Salim Heddam és professor associat del Departament de Ciències Agronòmiques de la Universitat 20 d’Agost del 1955 de Skikda (جامعة 20 أوت 1955-سكيكدة). L’agost del 1955, Skikda s’anomenava encara Philippeville, nom que havia rebut en la seva fundació del 1838, damunt les runes de l’antiga ciutat púnica i després romana de Rusicadae; el dia 20 hi començà una insurrecció de l’FLN, amb atacs a la població europea, que rebria una dura resposta de l’Exèrcit Francès. Després de la independència, Philippeville rebria el nom Skikda en memòria de l’antic topònim púnic, i en el 2005, amb motiu del 40è aniversari dels fets referits, la Universitat, creada en el 1998, va rebre el seu nom actual. La universitat és integrada per sis facultats. Heddam fa part de la Facultat de Ciència, i dins del Departament d’Agronomia és adscrit a la Divisió d’Hidràulica.

Michael J. Watts és el cap acadèmic del Information Technology Programme de l’Auckland Institute of Studies.

Larbi Houichi és professor del Departament d’Hidràulica de la Universitat de Batna 2. La Universitat de Batna fou fundada en el 1977, i en el 2015 fou dividida en dues institucions. Des del 2017 el seu nom oficial és جامعة باتنة 2 مصطفى بن بولعيد, en memòria del membre de l’FNL mort el 22 de març del 1956 en un atac de l’exèrcit francès poc després d’haver fugit de la presó. El Departament d’Hidràulica té la seva seu a la localitat de Tamachit. Houichi hi treballa en l’anàlisi de freqüència regional de les variables hidrometeorològiques d’Algèria.

Lakhdar Djemili és professor del Laboratori de Sòl i Hidràulica del Departament d’Hidràulica de la Facultat de Ciències d’Engineria de la Universitat Badji Mokhtar d’Annaba (جامعة باجي مختار).

Abderrazek Sebbar fa la tesi doctoral al Laboratori de Sòli i Hidràulica de la Universitat d’Annaba.

Un exemple de la vegetació a les muntanyes de Cabília

L’agricultura a Algèria suposa el 8% del PIB i el 14% de la població activa. Les principals collites són el blat, l’ordi i la patata, encara que cal a dir que el sector agrícola no pot cobrir totes les necessitats alimentàries, ja que tan sols el 3% de la superfície del país és cultivable (el 45% dels aliments són importats). El principal cultiu d’exportació és el dàtil. La variabilitat de les precipitacions és el principal factor limitador de la producció agrícola. De les terres cultivades, són de regadiu un 13%. No és estrany doncs que la hidràulica ocupi el lloc central de l’agronomia algeriana.

La modelització de l’evapotranspiració de referència, amb la seva variabilitat estacional i regional, constitueix l’objectiu de recerca dels grups d’Heddam, Houichi i Djemili. És en aquest marc que s’interessaren pels sistemes connexionistes evolutius (ECoS). Els ECoS foren introduït fa 20 anys pel Nik Kasabov. Són una família d’algoritmes de xarxa neural artificial constructiva. El llegat de Kasabov ha estat continuat per investigadors com Michael J. Watts.

Una xarxa ECoS té diversos nivells de neurones artificials. Si més no, una d’aquestes neurones és evolutiva, i ella o elles marquen quina serà la capa constructiva, és a dir la que creixerà i s’adaptarà a les dades d’entrada. L’algoritme d’aprenentatge es fonamenta en aquesta capa constructiva. La capa constructiva rep informació de la capa d’entrada. De la capa constructiva surt la informació que anirà cap a la capa de sortida.

En la modelització de l’evapotranspiració diària de referència les dades d’entrada provenen bàsicament d’estacions meteorològiques. Heddam et al. han contemplat tres models ECoS:
– 1. DEFNIS_OF: un sistema d’inferència neural-difús evolutiu i dinàmic off-line.
– 2. DEFNIS_ON: un sistema d’inferència neural-difús evolutiu i dinàmic on-line.
– 3. EFuNN: una xarxa neural difusa evolutiva. Aquesta xarxa té una estructura en cinc capes (d’entrada, de condició, de norma, d’acció i de sortida). En la capa de condició cada neurona representa una única funció d’assignació difusa triangular vinculada a una entrada particular. És en aquesta capa on es produeix la “fuzzificació”, és a dir la transformació d’una dada binària/discreta a una dada difusa/contínua. La capa evolutiva és la capa de norma. En la quarta cap, d’acció, tornen a entrar en joc funcions d’assignació difusa. La cinquena capa realitza una defuzzificació.

Dues estacions meteorològiques: Alger i Skikda

Les dades introduïdes en els tres models procedeixen de dues estacions meteorològiques, la d’Alger i la de Skikda. Són dues localitats de clima mediterrani (Csa en la classificació de Köppen). La precipitació anual mitjana a Alger és de 600 mm i a Skikda de 730 mm; en tots dos casos concentrada entre els mesos d’octubre i abril. Les dades introduïdes són les següents:
– temperatura màxima diària (Tmax).
– temperatura mínima diària (Tmin).
– velocitat diària del vent (WS.
– humitat relativa diària (RH).
– hores d’insolació diàries (SH).

Per a la comparació dels tres models, Heddam et al. fan servir quatre índexs estatístics:
– l’error d’arrel quadrada mitjana (RMSE): que és l’arrel quadrada del quadrats de les desviacions entre valor predit i valor observat.
– l’error absolut mitjà (MAE).
– el coeficient de correlació (R).
– l’eficiència de Nash-Sutcliffe (NSE). L’NSE és emprat en models hidrològics per comparar les descàrregues observades amb les descàrregues modelades.

Els resultats de la comparació

Heddam et al. avaluaren l’efecte de combinar diverses variables climàtiques com a entrades, desenvolupant i comparant un mínim de sis escenaris diferents.

Com a model de referència utilitzaren el de Penman-Monteith declarat per la FAO com el mètode estàndard de modelització de l’evapotranspiració (FAO 56-PM).

Si hom empra com a dades Tmax, Tmin, WS, RH i SH, el millor dels tres models comparats és DEFNIS_OF1, seguit de DEFNIS_ON1. Aquests dos models ofereixen una bona precisió, cosa que no es pot dir de EFuNN1.

Lligams:

Evolving connectionist systems (ECoSs): a new approach for modeling daily reference evapotranspiration (ET0). Salim Heddam, Michael J. Watts, Larbi Houichi, Lakhdar Djemili, Abderrazek Sebbar. Environ. Monit. Assess. 190: 516 (2018).

 

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: